DE102008032628A1 - Verfahren zur Herstellung von dotierten Galliumarsenidsubstratwafern mit niedrigem optischen Absorptionskoeffizienten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von dotierten Galliumarsenidsubstratwafern mit niedrigem optischen Absorptionskoeffizienten Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren offenbart zur Herstellung eines dotierten Galliumarsenid-Einkristalls durch Schmelzen eines Galliumarsenid-Ausgangsmaterials und anschließender Erstarrung der Galliumarsenid-Schmelze, wobei die Galliumarsenid-Schmelze gegenüber der stöchiometerischen Zusammensetzung einen Überschuß an Gallium enthält und wobei für eine Borkonzentration in der Schmelze oder im erhaltenen Kristall von mindestens 5 x 1017 cm-3 gesorgt wird. Der so erhältliche Kristall zeichnet sich durch eine einzigartige Kombination aus niedriger Versetzungsdichte, hoher Leitfähigkeit und dennoch ausgezeichneter, sehr niedriger optischer Absorption insbesondere im Bereich des nahen Infrarot aus.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Galliumarsenid-Einkristallen durch Erstarrung einer Schmelze des Halbleitermaterials unter Verwendung eines Keimkristalls aus dem gleichen Halbleitermaterial wie der herzustellende Halbleiter-Einkristall.
  • Für die Anwendung von Galliumarsenid-Substratwafern zur Herstellung von lichtemittierenden Bauelementen, wie Halbleiterlasern und Lumineszenzdioden wird in der Regel eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Substratwafer gefordert. In speziellen Bauelementen wird die Lichtstrahlung im Substratwafer selbst erzeugt oder durchläuft ihn parallel oder senkrecht zur Waferoberfläche. In den genannten Bauelementen treten in der Regel hohe elektrische und optische Leistungsdichten auf. Versetzungen, die die aktiven Schichten der Bauelemente durchlaufen, können bei hohen Leistungsdichten zu einer Degradation und zum Ausfall des Bauelements führen.
  • In [14] wird ein Verfahren zur Herstellung von Silicium-dotierten Galliumarsenid-Einkristallen mit Hilfe der Vertical Bridgman-Methode (VB) oder der Vertical Gradient Freece-Methode (VGF) beschrieben. Die beanspruchten Eigenschaften der aus den Kristallen gefertigten Substratwafer umfassen eine Ladungsträgerkonzentration von (0.1–5.0) 1018 cm–3 und eine Versetzungsdichte von 5000 cm–2 oder weniger. Für Bauelemente mit hohen elektrischen und optischen Leistungsdichten ist eine wesentlich niedrigere Versetzungsdichte erforderlich.
  • Die Versetzungsdichte von Halbleiterkristallen lässt sich durch Hinzufügen eines Dotierstoffs, der eine Härtung des Kristallgitters bewirkt, vermindern. In [15] wird eine Methode beschrieben, mit der sich durch eine zusätzliche Dotierung mit Silicium die Versetzungsdichte von p-leitendenden, Zink-dotierten Galliumarsenidkristallen auf Werte unter 500 cm–2 vermindern lässt. Eine Methode zur weiteren Verringerung der Versetzungsdichte wird in [16] beschrieben. Durch die zusätzliche Dotierung der Kristalle mit Elementen, die isoelektronisch in das Kristallgitter von Galliumarsenid eingebaut werden, z. B. Indium, lässt sich die Versetzungsdichte in p-leitenden Galliumarsenidkristallen auf Werte von unter 100 cm–2 vermindern.
  • Galliumarsenid-Einkristalle sind bei Raumtemperatur für elektromagnetische Strahlung im nahen Infrarot mit Photonenenergien, die kleiner sind als die Energie der Bandlücke, transparent. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung muss dafür größer als 870 nm sein. Der Transmissionsgrad wird für Wellenlängen zwischen 900 nm und 4 μm von zwei Wechselwirkungsprozessen der Photonen der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit Elektronen des Galliumarsenid-Einkristalls bestimmt. Im ersten Prozess werden Elektronen durch Absorption von Photonen aus einem niedrigen Energieniveau des Leitungsbandes in ein höheres Energieniveau angehoben (siehe [1]). Der Absorptionskoeffizient αib, der diesem Prozess zugeordnet wird, ist für eine gegebene Wellenlänge proportional zur Konzentration der Elektronen im Leitungsband. Diese entspricht in Kristallen mit einer elektrischen Leitfähigkeit vom n-Typ der Ladungsträgerkonzentration n. Der Proportionalitätsfaktor ist abhängig von der Wellenlänge λ und hat beispielsweise für λ = 2 μm einen Wert von 6·10–18 cm2 [2], [3]. Die herkömmliche Forderung nach hoher Ladungsträgerkonzentration läuft somit dem Ziel zuwider, niedrige Absorptionskoeffizienten zu erreichen.
  • Der zweite Prozess besteht in der lichtinduzierten Anregung von Elektronen aus dem energetischen Niveau EL2 ins Leitungsband [4]. Das EL2-Niveau wird von Arsen-Antistrukturdefekten AsGa erzeugt [5], [6], man bezeichnet diesen Defekt daher auch als EL2-Defekt. Der zugehörige Absorptionskoeffizient αEL2 ist proportional zur Konzentration von AsGa im Kristall. Der Proportionalitätsfaktor ist abhängig von der Wellenlänge λ und entspricht in Kristallen mit hoher Leitfähigkeit vom n-Typ dem optischen Absorptionsquerschnitt σn o des EL2-Defekts im neutralen Ladungszustand. Experimentelle Werte für den Absorptionsquerschnitt σn o sind in [7] veröffentlicht.
  • Die Konzentration der EL2-Defekte in einem Galliumarsenid-Einkristall wird maßgeblich durch die Zusammensetzung der Galliumarsenid-Schmelze bestimmt, durch deren Erstarrung der Einkristall erzeugt wird. Kristalle, die aus stöchiometrischen oder arsenreichen Schmelzen erstarren, enthalten EL2-Defekte im Konzentrationsbereich von (1–2)·10–16 cm–3. In Kristallen, die nur eine geringe Konzentration von Fremdstoffen und einen geringen Überschuß an akzeptorischen Defekten enthalten, führte die Anwesenheit von EL2-Defekten in diesem Konzentrationsbereich zu einer sehr geringen elektrischen Leitfähigkeit [8]. Zur Erzeugung solcher Kristalle wurden daher gewöhnlich Schmelzen verwendet, in denen der Arsen-Molenbruch xAs/(XAs + XGa) mindestens 0,5 beträgt. In [9] wird das Ziel verfolgt, im gesamten axialen Verlauf des Kristalls eine möglichst homogene EL2-Konzentration im Bereich von 0,8–1,4 × 1016 cm–3 zu erzielen. Beim Vergleich von Kristalle, die aus Schmelzen mit unterschiedliche Arsen-Molenbrüchen erzeugt wurden, wurde gefunden, daß die gewünschte EL2-Homogenität erreicht wird, wenn der Arsen-Molenbruch der Schmelze stabil 0,5 beträgt. Experimentelle Daten in [10] zeigen eine Abhängigkeit der EL2-Konzentration vom Arsen-Molenbruch für Kristalle, die nach dem LEC-Verfahren erzeugt wurden.
  • Die Konzentration der EL2-Defekte kann stark verringert werden, wenn die Kristalle mit Dotierstoffen dotiert werden, die eine hohe Leitfähigkeit vom n-Typ erzeugen (vgl. [11]). Thermodynamische Berechnungen zeigen, dass die Größe des Arsen-Molenbruchs die Konzentration der EL2-Defekte beeinflußt (vgl. [12]).
  • Die in den Literaturstellen [9] und [10] gezeigte Abhängigkeit der EL2-Konzentration vom Arsen-Molenbruch der Schmelze, aus der ein Galliumarsenidkristall erstarrt wird, wurde dort auf ihre Auswirkung auf den spezifischen elektrischen Widerstand und die elektrische Leitfähigkeit in diesen Kristallen betrachtet. In [9] wird die EL2-Konzentration der Kristalle in Beziehung gesetzt zu Eigenschaften der aus den Substratwafern erzeugten MESFET. Nach den dort beschriebenen Maßnahmen beeinflusst die Höhe der EL2-Konzentration das Hochfrequenzverhalten dieser Bauelemente. Es wird kein Bezug auf eine mögliche Veränderung des optischen Absorptionskoeffizienten genommen, da kein Zusammenhang zwischen dem optischen Absorptionskoeffizienten des Substratwafers und den Eigenschaften eines aus diesem Substratwafers erzeugten MESFET besteht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von Galliumarsenid-Einkristallen mit geringem optischen Absorptionskoeffizienten sowie solche Galliumarsenid-Einkristallen an sich bereitzustellen. Wünschenswert wäre ferner, dabei gleichzeitig den Problemen von einerseits einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit, vorzugsweise einer solchen vom n-Typ, und andererseits einer Bereitstellung geringer Versetzungsdichten Rechnung zu tragen.
  • Gemäß einem Gegenstand wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wonach eine dotierter Galliumarsenid-Einkristall durch Schmelzen eines Galliumarsenid-Ausgangsmaterials und anschließender Erstarrung der Galliumarsenid-Schmelze hergestellt wird, wobei darauf geachtet wird, dass die Galliumarsenid-Schmelze gegenüber der stöchiometrischen Zusammensetzung einen Überschuß an Gallium enthält, und dass in der Galliumarsenid-Schmelze für eine Borkonzentration von mindestens 5·1017 cm–3 gesorgt wird. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 festgelegt.
  • Gemäß einem Gegenstand wird die Aufgabe gelöst durch einen GaAs-Einkristall, der alternativ gemäß Anspruch 7 oder gemäß Anspruch 8 definiert ist, d. h. einem Galliumarsenid-Einkristall mit einer Ladungsträgerkonzentration von mindestens 1 × 1016 cm–3 und höchstens 1 × 1018 cm–3 und einem optischen Absorptionskoeffizienten von höchstens 2,5 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1000 nm, von höchstens 1,8 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1100 nm und höchstens 1,0 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1200 nm, oder einem Galliumarsenid-Einkristall mit einer Elektronenkonzentration von mindestens 1 × 1015 cm–3 und höchstens 1 × 1018 cm–3 und einem optischen Absorptionskoeffizienten von höchstens 2,0 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1000 nm, von höchstens 1,4 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1100 nm und höchstens 0,8 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1200 nm.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Einkristalls sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 7 oder 8 festgelegt.
  • Gemäß einem noch weiteren Gegenstand wird erfindungsgemäß ein Galliumarsenid-Substratwafer bereitgestellt, der aus einem wie oben definierten Galliumarsenid-Einkristall gebildet ist. Die oben und unten detaillierter beschriebenen, für den Einkristall definierten Merkmale gelten für die daraus vereinzelten Wafer entsprechend.
  • Erfindungsgemäß wurden kritische Faktoren und Bedingungen gefunden, wie trotz gegenläufiger Wirkungen der als relevant erkannten Wirkungsmechanismen gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit, insbesondere solche vom n-Typ, mit einem niedrigen optischen Absorptionskoeffizienten im nahen Infrarot, insbesondere für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 900 nm bis 1700 nm, und einer mittleren Ätzgrubendichte von höchstens 500 cm–2 kombinierbar sind. Verfahrenstechnisch wird dies durch kritische Beachtung sowohl eines Überschusses an Gallium in der Galliumarsenid-Schmelze, als auch einer erforderlichen Mindestkonzentration an Bor realisiert. Produktspezifisch ist erfindungsgemäß ein bestimmter Ladungsträgerkonzentrationsbereich einstellbar, in dem signifikant verbesserte Parameter des optischen Absorptionskoeffizienten bewirkt und gleichzeitig dem Erfordernis einer ausreichenden Ladungsträgerkonzentration Rechnung getragen werden. Darüber hinaus kann eine vorteilhafte, geringe Flächendichte von Versetzungsätzgruben auf Querschnittsflächen senkrecht zur Kristallachse eingehalten werden.
  • Der erfindungsgemäß erhältliche Galliumarsenid-Einkristall zeichnet sich insbesondere durch eine einzigartige Kombination aus niedriger Versetzungsdichte, hoher Leitfähigkeit und dennoch ausgezeichneter, sehr niedriger optischer Absorption insbesondere im IR-Bereich, und dort vor allem im nahen Infrarot, aus.
  • Mit den erfindungsgemäß erzielbaren Merkmalen und Eigenschaften sind die erhaltenen Kristalle und die daraus erzeugten Substratwafer hervorragend für die Verwendung bei der Herstellung optoelektronischer Bauelemente geeignet, bei denen die erzeugte Strahlung den Substratwafer parallel oder senkrecht zur Waferoberfläche durchläuft. Da der optische Absorptionskoeffizient des Halbleitermaterials, mit dem der Substratwafer gebildet wird, im vorbezeichneten spektralen Bereich der erzeugten Strahlung trotz der relativ hohen Leitungsträgerkonzentrationen sehr niedrig gehalten werden kann, zeigen die mit dem erfindungsgemäßen Wafer hergestellten Bauelemente eine hohe Effizienz. Die Gefahr von Degradation und Ausfall des Bauelements, welche aufgrund von hohen elektrischen und optischen Leistungsdichten in den aktiven Schichten der Bauelemente hervorgerufen werden kann, wird durch die gleichzeitig erzielbare sehr geringe Flächendichte von Versetzungsätzgruben als Maß für die Versetzungsdichte gemindert oder sogar vollkommen unterdrückt. Die erfindungsgemäß erreichbaren sehr geringen Versetzungsdichten, die je nach Anwendungen auf kleiner als 1500 cm–2 und sogar kleiner als 500 cm–2 eingesellt werden kann, sorgt für eine vorteilhafte lange Lebensdauer der mit den erfindungsgemäßen Substratwafern hergestellten Bauelemente.
  • Die Erfindung, deren Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen sowie Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben, wobei Ausführungsformen, Beispiele und Figuren jedoch nur zur Veranschaulichung dienen und die Erfindung in keiner Weise einschränken.
  • 1 zeigt in Beispielen Topogramme der lokalen Versetzungsätzgrubendichte, die als Maß für die Versetzungsdichte dient, für Wafer aus zwei mit Silicium dotierten Galliumarsenid-Einkristallen, wobei beide Wafer eine vergleichbare Ladungsträgerkonzentration besitzen, sich aber dadurch unterscheiden, daß entweder kein zusätzliches Bor und kein zusätzliches überstöchiometrisches Gallium zugesetzt wurde (Vergleich links) oder bewußt Bor und überstöchiometrisches Gallium jeweils in passenden Mengen zugesetzt wurden (gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens rechts)
  • 2 zeigt die Abhängigkeit des optischen Transmissionskoeffizienten αt von der Ladungsträgerkonzentration n für zwei mit Silicium dotierte Galliumarsenidkristalle, die aus Schmelzen mit einem Arsen-Molenbruch xAs/(xAs + xGa) von 0,50 bzw. 0,48 erstarrt wurden.
  • 3 zeigt die Abhängigkeit der Konzentration von EL2-Defekten von der Ladungsträgerkonzentration für die in 2 dargestellten beiden Kristalle.
  • Ein signifikanter, verfahrens-relevanter Beitrag zur Erzielung der Effekte der Erfindung wird durch Beachtung eines molaren Überschusses an Gallium gegenüber Arsen in der Galliumarsenidschmelze geleistet, wobei dieser Beitrag erst dann wirksam zum Tragen kommt und dort zu einem synergistischen Effekt führt, wenn die Ladungsträgerkonzentration in einem Bereich von ≤ 1 × 1018 cm–3 und vor allem in einem Bereich von ≤ 5 × 1017 cm–3 liegt. Ein günstiger Einfluß auf die Erniedrigung des optischen Absorptionskoeffizienten wird insbesondere dann erhalten, wenn der molare Überschuss an Gallium in der Galliumarsenidschmelze vor Beginn der Erstarrung von 0,01 bis 2 mol% beträgt. Der genannte stöchiometrische Überschuß an Gallium gegenüber Arsen sollte spätestens beim Beginn der Erstarrung der Galliumarsenidschmelze herrschen. Zweckmäßiger weise geschieht dies durch Zugabe einer passenden überstöchiometrischen Menge an Gallium zu den Ausgangsmaterialien in den Tiegel vor dem Aufschmelzen des Ausgangsmaterials.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise so ausgeführt und entsprechend ein Galliumarsenid-Einkristall so erhalten, dass durch die Dotierung der Galliumarsenid-Einkristall eine Leitfähigkeit vom n-Typ aufweist. In diesem Fall kann die gewünschte Kombination aus relativ hoher Konzentration an Ladungsträger, die in diesem Fall durch die Elektronenkonzentration bereitgestellt wird, und niedrigem Absorptionskoeffizienten besonders wirksam erhalten werden. Der hierzu am besten geeignete Dotierstoff ist Silicium (Si), elementar oder chemisch gebunden. Im Vergleich zu nur halbleitendem Galliumarsenid wird eine für die Anwendung wichtige, deutlich bessere Leitfähigkeit erreicht, und gegenüber einer Leitfähigkeit vom p-Typ ist der optische Absorptionskoeffizient – bei vergleichbarer Ladungsträgerkonzentration – viel größer, wenn der erfindungsgemäße Galliumarsenid vom n-Typ ist.
  • Mögliche zu Si alternative oder zu Si additive Dotierstoffe sind andere Elemente der Gruppen II, IV und VI des Periodensystems der Elemente, die sich jeweils auf die Leitfähigkeit des Galliumarsenid-Einkristalls auswirken, wie Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Germanium (Ge), Kohlenstoff (C), Tellur (Te), Schwefel (S) und Selen (Se), aber auch Elemente der Nebengruppen wie Zink (Zn), Zinn (Sn), Cadmium (Cd) und dergleichen, jeweils alleine oder in Mischung, und jeweils elementar oder chemisch gebunden. Unabhängig vom den verwendeten Dotierstoffen ist jedoch besonders darauf zu achten, daß die erhaltene Ladungsträgerkonzentration 1 × 1018 cm–3 und insbesondere 5 × 1017 cm–3 nicht übersteigt und gleichzeitig der hier definierte stöchiometrische Überschuß von Gallium gegenüber Arsen eingehalten wird, um die gewünschten Parameter des optischen Absorptionskoeffizienten erreichen zu können. Im Hinblick auf das Erreichen von niedrigen optischen Absorptionskoeffizienten ist Silicium als Dotierstoff deutlich bevorzugt. Der ergänzende Zusatz von mehreren weiteren Dotierstoffen, etwa ergänzend zu Si und dem unten beschriebenen erwünschten Zusatz von Bor, ist z. B. der weitere Zusatz von sowohl Zn als auch In zu vermeiden. Ferner ist das Verhältnis von Si zu einem anderen, p-Leitung verursachenden Dotierstoff vorzugsweise > 1, weiter bevorzugt > 10.
  • Die Zugabemenge des Dotierstoffs wird sich danach richten, daß die Ladungsträgerkonzentration im erhaltenen, erstarrten Galliumarsenid-Einkristall zweckmäßig mindestens 1·1015 cm–3, bevorzugt mindestens 1·1016 cm–3, und insbesondere mindestens 1·1017 cm–3 beträgt.
  • Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, für eine ausreichende Borkonzentration in der Galliumarsenid-Schmelze zu sorgen. Geeigneterweise wird zur Einstellung der zu beachtenden Bormenge Bor zu dem Galliumarsenid-Ausgangsmaterial, und/oder zu der Galliumarsenid-Schmelze zugegeben wird. Optional und weiter bevorzugt kann Bor ergänzend durch Vorsehen einer Boroxid-Abdeckschmelze über der Galliumarsenid-Schmelze eingetragen werden, um insgesamt für die gewünschte Borkonzentration zu sorgen. Dadurch ist es möglich, eine für die Erniedrigung des optischen Absorptionskoeffizienten wichtige Erniedrigung der Dotierstoffkonzentration so zu kompensieren, daß ein passender und die Leistungsparameter des mit dem Wafer gefertigten Bauteils genügender Ladungsträgerkonzentrationsbereich erhalten wird. Ein zusätzlicher vorteilhafter Effekt besteht darin, daß in Kombination eine niedrige Versetzungsdichte erhältlich ist. Entsprechend besitzt der erhaltene Galliumarsenid-Einkristall bevorzugt einen Borgehalt von mindestens 5 × 1017 cm–3, weiter bevorzugt mindestens 1 × 1018 cm–3 und insbesondere mindestens 2 × 1018 cm–3. Weitere mit einem Einbau von Bor in den erfindungsgemäßen Galliumarsenid-Einkristall – und damit in den daraus vereinzelten Wafer – verbundene Vorteile beruhen darauf, daß die zur Versetzungsbildung aufzubringende Energiebarriere deutlich ansteigt, was durch eine Begrenzung der Flächendichte von Versetzungsätzgruben auf Querschnittsflächen senkrecht zur Kristallachse von höchstens 1500 cm–2, bevorzugt von höchstens 500 cm–2 zum Ausdruck kommt.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Schmelzen und Erstarren bevorzugt in einem Tiegel unter Verwendung eines Keimkristalls aus Galliumarsenid. Diese Verfahrensführung erlaubt eine effiziente Kristallbildung insbesondere in der kritischen Anfangsphase der Kristallbildung, und sie erlaubt eine Einstellung einer zu beachtenden Bormenge im Laufe des Schmelz- und Erstarrungsvorgangs und trägt so zum Erreichen des gewünschten Ergebnisses bei. Das für die Erfindung anzuwendende Verfahrensprinzip beruht stark bevorzugt auf einer gerichteten Erstarrung, beispielsweise nach der Vertical Gradient Freece-Methode (VGF) oder der Vertical Bridgman-Methode (VB).
  • Der gesamte Absorptionskoeffizient αt im Wellenlängenbereich von 900 nm bis 4 μm ergibt sich aus der Summe der Absorptionsquerschnitte αib und αEL2.
  • Ein geringer Absorptionskoeffizient αt kann erreicht werden durch eine Verringerung der Ladungsträgerkonzentration, durch eine Verringerung der Konzentration der EL2-Defekte oder durch beide Maßnahmen. Einer Verringerung der Ladungsträgerkonzentration sind jedoch Grenzen gesetzt. Für die Funktion der lichtemittierenden Bauelemente ist in der Regel eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Substratwafer, insbesondere eine solche vom n-Typ erforderlich, die durch eine geeignete Dotierung erreicht wird. Die Ladungsträgerkonzentration beträgt in der Regel mindestens 1·1015 cm–3, bevorzugt mindestens 1·1016 cm–3, und insbesondere mindestens 1·1017 cm–3. Eine weitere Verringerung des optischen Absorptionskoeffizienten kann also nur dadurch erfolgen, daß ein Absenken der Konzentration von EL2-Defekten in Kombination beachtet wird. Das System ist vorteilhafter weise so zu beeinflussen, dass die EL2-Konzentration bevorzugt unter 1·1016 cm–3, weiter bevorzugt unter 5·1015 cm–3 und insbesondere unter 1·1015 cm–3 liegt.
  • Übliche Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus Galliumarsenid verwenden zur Verhinderung des Abdampfens von Arsen von der Galliumarsenidschmelze eine Abdeckschmelze aus Boroxid (B2O3). Zur Herstellung von Galliumarsenidkristallen mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, insbesondere solche vom n-Typ, wird ein geeigneter Dotierstoff wie z. B. Silicium verwendet. Ein Hinzufügen von Dotierstoff wie Silicium zur Galliumarsenidschmelze in Konzentrationen, wie sie zur Einstellung einer wünschenswerten Ladungsträgerkonzentration in den erzeugten Kristallen, z. B. von mindestens 1·1016 cm–3, erforderlich ist, ruft eine Reaktion des Dotierstoffs wie Siliciums mit der Boroxidabdeckschmelze hervor. Ein Teil des Dotierstoffs wird oxidiert, woraufhin sich das entstehende Bor in der Galliumarsenidschmelze löst. Dieser Eintrag von Bor in die Schmelze führt zu einer Bor-Verunreinigung der erzeugten Kristalle. Die Konzentration von Bor in den Kristallen ist dabei in der Regel vergleichbar zur Konzentration des Dotierstoffs Silicium, wie z. B. in [17] für Silicium als Dotierstoff gezeigt wird. Diese unabsichtlich, als Verunreinigung eingetragene Konzentration von Bor führt in Galliumarsenidkristallen, insbesondere bei n-leitenden, Silicium-dotierten Kristallen, zu einer Härtung des Kristallgitters.
  • Beträgt die beabsichtigte Ladungsträgerkonzentration der Galliumarsenidkristalle weniger als 1·1018 cm–3 und vor allem weniger als 5·1017 cm–3, wie es sich zur Einstellung eines geringen optischen Absorptionskoeffizienten als kritisch erwiesen hat, so ist die zur Galliumarsenidschmelze hinzugegebene Menge eines geeigneten Dotierstoffs wie Silicium so klein, dass die infolge der chemischen Reaktion zwischen Dotierstoff und Boroxidabdeckschmelze in die Galliumarsenid-Schmelze eingetragene Menge an Bor zu gering ist, um die oben genannten, Bor zuzuschreibenden Wirkungen, einschließlich einer wirksame Härtung des Gitters und damit eine Verringerung der Versetzungsdichte, auf erwünschte Werte zu erreichen. Dies gilt besonders in Fällen, in denen die Flächendichte von Versetzungsätzgruben auf Querschnittsflächen senkrecht zur Kristallachse weniger als 1500 cm–2 betragen sollen, und vor allem in Fällen, in denen diese noch weniger, z. B. < 500 cm–2 betragen sollen. Deshalb muß bei der Herstellung von dotierten Galliumarsenidkristallen, insbesondere bei Silicium-dotierten Galliumarsenidkristallen, die zu Ladungsträgerkonzentrationen von weniger als 1·1018 cm–3 und vor allem von weniger als 5·1017 cm–3 im Produkt führen sollen, zusätzlich Bor hinzugegeben werden, so daß die Borkonzentration in der Galliumarsenid-Schmelze und damit im erstarrten Kristall mindestens 5·1017 cm–3 beträgt.
  • Beschreibung von nicht einschränkenden Beispielen gemäß bevorzugten Ausführungsformen:
  • Zur Herstellung eines mit Silicium dotierten Galliumarsenidkristalls nach dem herkömmlichen Verfahren wurde eine Menge von 9 kg stöchiometrisches, polykristallines Galliumarsenid und 1,3 g elementares Silicium in einen zylindrisch geformten, einseitig geschlossenen Tiegel aus pyrolytisch abgeschiedenem Bornitrid (pBN) gegeben. Dieser Tiegel wies am geschlossenen Ende eine Verjüngung auf, an die sich ein weiterer zylindrischer Abschnitt anschloss, in den ein Galliumarsenid-Keimkristall eingesetzt wurde. Der Tiegelinhalt wurde mit einer zylindrischen Platte aus Boroxid abgedeckt. In einer Vertical-Gradient-Freece (VGF) Kristallzüchtungsanlage, wie sie in [18] beschrieben ist, wurden der Tiegel und sein Inhalt durch außerhalb des Tiegels angeordnete Heizelemente so erhitzt, dass das polykristalline Galliumarsenid und das Boroxid aufgeschmolzen wurden und das Silicium in der Galliumarsenidschmelze gelöst wurde. Anschließend wurde durch geeignete Steuerung der Heizelemente das Temperaturfeld innerhalb des Tiegels so verändert, dass ausgehend vom Keimkristall eine gerichtete Erstarrung der Galliumarsenid-Schmelze stattfand. Der erstarrte Kristall wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und sein zylindrischer Teil zu Wafern verarbeitet. Ein Wafer aus dem keimnahen Bereich des Kristallzylinders wies eine Ladungsträgerkonzentration von 1,0·1017 cm–3, eine Versetzungsätzgrubendichte von 3820 cm–3 (siehe 1 linke Abbildung), einen Borgehalt von 1,5·1017 cm–3 und einen optischen Absorptionskoeffizienten bei einer Wellenlänge von 1046 nm von 2,2 cm–3 auf.
  • Zur Herstellung eines Kristalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde im Unterschied zum oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren zusätzlich eine Menge von 370 g an elementarem Gallium in den Tiegel gegeben, um einen galliumreiche Galliumarsenid-Schmelze mit einem Arsen-Molenbruch von 0,48 zu erzeugen. Die Schmelze wurde wie beim herkömmlichen Verfahren durch Zugabe von 1,3 g elementarem Silicium, im weiteren Unterschied dazu aber zusätzlich durch Zugabe von 0,46 g elementarem Bor dotiert. Die Erstarrung der Schmelze wurde, wie für das herkömmliche Verfahren beschrieben, durchgeführt. Ein Wafer aus dem keimnahen Bereich des Kristallzylinders wies eine Ladungsträgerkonzentration von 1,3·1017 cm–3, eine Versetzungsätzgrubendichte von 3820 cm–3 (siehe 2 rechte Abbildung), einen Borgehalt von 2,1·1018 cm–3 und einen optischen Absorptionskoeffizienten bei einer Wellenlänge von 1046 nm von 1,8 cm–3 auf.
  • In 1 werden Topogramme der lokalen Versetzungsätzgrubendichte, die als Maß für die Versetzungsdichte dient, für Wafer aus zwei mit Silicium dotierten Kristallen gezeigt, wie sie vorstehend beschrieben erhalten wurden. Die beiden Wafer besitzen eine vergleichbare Ladungsträgerkonzentration von 1,0·1017 cm–3 bzw. 1,3·1017 cm–3 und stammen jeweils aus dem keimnahen Bereich des zylindrischen Teils der Kristalle. Die lokale EPD wurde flächendeckend in Messfeldern mit einer Abmessung von 0,5 mm × 0,5 mm gemessen.
  • Ergebnisse:
    • Links: Mittelwert der EPD = 3820 cm–2, Ladungsträgerkonzentration n = 1,0·1017 cm–3, Borgehalt = 1,5·1017 cm–3
    • Rechts: Mittelwert der EPD = 470 cm–2, Ladungsträgerkonzentration n = 1,3·1017 cm–3, Borgehalt = 2,1·1018 cm–3
  • Die Versetzungsätzgrubendichte des Wafers aus dem nicht gezielt mit Bor dotierten Kristall betrug 3820 cm–2. Die Versetzungsätzgrubendichte des Wafers aus dem Kristall, der gezielt mit einer End-Borkonzentration von 2,1·1018 cm–3 dotiert wurde, betrug demgegenüber nur 470 cm–2. Dieser Wafer erfüllt daher die Zielstellung einer geringen Ladungsträgerkonzentration von weniger als 5·1017 cm–3 bei einer gleichzeitig geringen Versetzungsdichte von weniger als 500 cm–2.
  • In 2 wird die Abhängigkeit des optischen Transmissionskoeffizienten αt von der Ladungsträgerkonzentration n für zwei mit Silicium dotierte Galliumarsenidkristalle gezeigt, die aus Schmelzen mit einem Arsen-Molenbruch xAs/(xAs + xGa) von 0,50 bzw. 0,48 erstarrt wurden. Die Meßwerte wurden an Proben ermittelt, die aus beidseitig chemisch-mechanisch polierten Wafern präpariert wurden. Dazu wurde jeweils aus einem nahezu versetzungsfreien Gebiet eines Wafers durch Spalten ein quadratisches Stück mit einer lateralen Abmessung von 20 × 20 mm2 entnommen. Die Messung der Ladungsträgerkonzentration n erfolgte mit Hilfe der van-der-Pauw- und Hall-Methode. Der optische Absorptionskoeffizient (optischer Transmissionskoeffizient) αt wurde bei einer Wellenlänge von 1046 in Abhängigkeit von der Ladungsträgerkonzentration n mit Hilfe eines optischen Transmissionstopographs nach [13] bestimmt.
  • Die gestrichelte Linie entspräche einer direkten Proportionalität zwischen n und αt, die für Proben gilt, in denen die Konzentration an EL2-Defekten vernachlässigbar klein ist. Die Ladungsträgerkonzentration der beiden Kristalle stieg in axialer Richtung vom Keimende ausgehend an, so dass von beiden Kristallen Proben mit unterschiedlichen Ladungsträgerkonzentrationen gewonnen werden konnten.
  • Die gestrichelte Linie in 2 entspricht somit einer direkten Proportionalität zwischen αt und n. Der Proportionalitätsfaktor beträgt bei einer Wellenlänge von 1046 nm 4,36·10–16 cm2. Die Proportionalität der beiden Größen tritt dann auf, wenn die Absorption durch EL2-Defekte vernachlässigbar klein ist, d. h. die Konzentration der EL2-Defekte deutlich unter 1·1015 cm–3 liegt. In diesem Fall beträgt der durch EL2 verursachte Absorptionskoeffizient αEL2 weniger als 0.125 cm–1. Die gesamte beobachtete Absorption ist auf die Streuung von Photonen an Elektronen im Leitungsband zurückzuführen. Für niedrige Werte von n weichen die Messpunkte für beide Kristalle deutlich von der Proportionalität ab. Das bedeutet, dass in den betreffenden Proben ein Teil der Absorption von EL2-Defekten verursacht wird. Für den Kristall, der aus einer Schmelze mit einem Arsen-Molenbruch von 0,50 erstarrt wurde, ist die Abweichung von der Proportionalität zwischen αt und n stärker als im anderen Kristall, da die EL2-Konzentration höher als in diesem ist (siehe auch 3).
  • In 3 ist die Abhängigkeit der Konzentration von EL2-Defekten NEL2 von der Ladungsträgerkonzentration n für diese beiden Kristalle dargestellt, die aus Schmelzen mit einem Arsen-Molenbruch xAs/(xAs + xGa) von 0.50 bzw. 0.48 erstarrt wurden. Die EL2-Konzentration wurde folgendermaßen erhalten: Für jede Probe wurde aus der Ladungsträgerkonzentration n unter Verwendung des Proportionalitätsfaktors von 4.36·10–16 cm2 der Absorptionskoeffizient αib berechnet. Dieser Wert wurde vom gemessenen Absorptionskoeffizienten αt subtrahiert. Die Differenz entspricht der durch EL2-Defekte verursachten Absorption und wurde mit dem Absorptionsquerschnitt nach [7] von 1.25·10–16 cm2 in einen Konzentrationswert der EL2-Defekte umgerechnet.
  • Die 2 und 3 zeigen exemplarisch für eine Wellenlänge von 1046 nm, dass sich durch eine Verringerung des Arsengehalts der Schmelze, aus der ein Galliumarsenidkristall erstarrt wird, der optische Absorptionskoeffizient des Halbleitermaterials verringern lässt. Diese Verringerung ist der Abnahme der Konzentration der EL2-Defekte geschuldet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es also, Kristalle zu erzeugen, die sowohl die gewünschte hohe Leitfähigkeit, insbesondere vom n-Typ, gekennzeichnet durch eine Ladungsträgerkonzentration von mindestens 1·1015 cm–3 und sogar von mindestens 1·1016 cm–3, als auch einen geringen optischen Absorptionskoeffizient im nahen Infrarot aufweisen.
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  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines dotierten Galliumarsenid-Einkristalls durch Schmelzen eines Galliumarsenid-Ausgangsmaterials und anschließender Erstarrung der Galliumarsenid-Schmelze, dadurch gekennzeichnet, dass die Galliumarsenid-Schmelze gegenüber der stöchiometrischen Zusammensetzung einen Überschuß an Gallium enthält, und daß für eine Borkonzentration in der Schmelze oder im erhaltenen Kristall von mindestens 5 × 1017 cm–3 gesorgt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dotierter Galliumarsenid-Einkristall mit einer Leitfähigkeit vom n-Typ hergestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzen und Erstarren in einem Tiegel unter Verwendung eines Keimkristalls aus Galliumarsenid erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine passende Menge an Bor im Ausgangsmaterials bereitgestellt wird, und/oder dass Bor der Galliumarsenid-Schmelze hinzugegeben wird, optional ergänzend zum Vorsehen einer Boroxid-Abdeckschmelze über der Galliumarsenid-Schmelze, um für die Borkonzentration zu sorgen.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschuß an Gallium in der Galliumarsenidschmelze vor Beginn der Erstarrung in einem Bereich von 0,01 bis 2 mol% liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erhaltene, dotierte Galliumarsenid-Einkristall zu Galliumarsenid-Substratwafern vereinzelt wird.
  7. Galliumarsenid-Einkristall mit einer Ladungsträgerkonzentration von mindestens 1 × 1016 cm–3 und höchstens 1 × 1018 cm–3 und einem optischen Absorptionskoeffizienten von höchstens 2,5 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1000 nm, von höchstens 1,8 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1100 nm und höchstens 1,0 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1200 nm.
  8. Galliumarsenid-Einkristall mit einer Elektronenkonzentration von mindestens 1 × 1015 cm–3 und höchstens 1 × 1018 cm–3 und einem optischen Absorptionskoeffizienten von höchstens 2,0 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1000 nm, von höchstens 1,4 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1100 nm und höchstens 0,8 cm–1 bei einer Wellenlänge von 1200 nm.
  9. Galliumarsenid-Einkristall gemäß Anspruch 7 oder 8 mit einer Ladungsträgerkonzentration von höchstens 5 × 1017 cm–3.
  10. Galliumarsenid-Einkristall gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 mit einer Leitfähigkeit vom n-Typ, wobei die angegebene Ladungsträgerkonzentration der Elektronenkonzentration entspricht.
  11. Galliumarsenid-Einkristall gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch einen Borgehalt von mindestens 1 × 1018 cm–3.
  12. Galliumarsenid-Einkristall gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächendichte von Versetzungsätzgruben auf Querschnittsflächen senkrecht zur Kristallachse 1500 cm–2 nicht übersteigt.
  13. Galliumarsenid-Einkristall gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächendichte von Versetzungsätzgruben auf Querschnittsflächen senkrecht zur Kristallachse 500 cm–2 nicht übersteigt.
  14. Galliumarsenid-Substratwafer, gebildet aus einem Galliumarsenid-Einkristall gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13.
  15. Verwendung eines Galliumarsenid-Substratwafers gemäß Anspruch 14 zur Herstellung optoelektronischer Bauelemente, bei denen die erzeugte Strahlung den Substratwafer parallel oder senkrecht zur Waferoberfläche durchläuft.
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